[논문 리뷰] SINFONI Integral Field Spectroscopy of z~2 UV-selected Galaxies: Rotation Curves and Dynamical Evolution

N. M. Förster Schreiber, R. Genzel외 15명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2006. 03. 21.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 빅뱅 이후 약 100억 년 전(적색편이 z~2)의 자외선으로 선택된 14개의 은하에 대해 VLT의 SINFONI를 이용한 고해상도 근적외선 적층장치 스펙트로스코피를 수행하여, 도는 디스크 구조와 일치하는 공간적으로 분해된 회전곡선과 운동학을 규명하였다. 주요 발견은 이러한 고적색편이 은하들이 지역의 후기형 나설파란과 유사한 동역학적 질량과 특별한 각운동량을 가지며, 약 10^11.7 M☉ 수준의 비르발 질량을 지닌 것으로 나타나, 약 10억 년 동안 가스 유입과 클러스터 유도적 별집 형성에 의해 내측에서부터 디스크 성장이 일어났다는 시나리오를 지지한다.

ABSTRACT

We present 0.5" resolution near-IR integral field spectroscopy of the Ha line emission of 14 z~2 UV-selected BM/BX galaxies obtained with SINFONI at ESO/VLT. The mean Ha half-light radius r_1/2 is about 4kpc and line emission is detected over > ~20kpc in several sources. In 9 sources, we detect spatially-resolved velocity gradients, from 40 to 410 km/s over ~10kpc. The observed kinematics of the larger systems are consistent with orbital motions. Four galaxies are well described by rotating disks with clumpy morphologies and we extract rotation curves out to radii > ~10kpc. One or two galaxies exhibit signatures more consistent with mergers. Analyzing all 14 galaxies in the framework of rotating disks, we infer mean inclination- and beam-corrected maximum circular velocities v_c of 180+-90 km/s and dynamical masses of (0.5-25)x10^10 Msun within r_1/2. On average, the dynamical masses are consistent with photometric stellar masses assuming a Chabrier/Kroupa IMF but too small for a 0.1-100 Msun Salpeter IMF. The specific angular momenta of our BM/BX galaxies are similar to those of local late-type galaxies. The specific angular momenta of their baryons are comparable to those of their dark matter halos. Extrapolating from the average v_c at 10kpc, the virial mass of the typical halo of a galaxy in our sample is 10^(11.7+-0.5) Msun. Kinematic modeling of the 3 best cases implies a ratio of v_c to local velocity dispersion of order 2-4 and accordingly a large geometric thickness. We argue that this suggests a mass accretion (alternatively, gas exhaustion) timescale of ~500Myr. We also argue that if our BM/BX galaxies were initially gas rich, their clumpy disks will subsequently lose their angular momentum and form compact bulges on a timescale of ~1 Gyr. [ABRIDGED]

연구 동기 및 목표

• 고해상도 적층장치 스펙트로스코피를 이용해 z~2 자외선으로 선택된 BM/BX 은하의 운동학적 구조와 동역학적 질량을 조사하기 위해.
• 이 고적색편이 은하들이 도는 디스크 모델과 일치하는지, 또는 합체 유도적 운동학과 일치하는지 확인하기 위해.
• 은하의 복사 물질의 특별한 각운동량을 어두운 물질 허브의 그것과 비교하여 형성 메커니즘을 제약하기 위해.
• v_c/σ 비율과 같은 운동학적 특성에 기반해 가스 유입 또는 고갈의 시간 스케일을 추정하기 위해.
• 약 10억 년 동안 덩어리로 이루어진 가스 풍부한 디스크가 어떻게 밀도 높은 별집으로 진화하는지를 탐색하기 위해.

제안 방법

• VLT의 SINFONI를 이용해 14개의 z~2 BM/BX 은하에서 Hα 방출의 약 0.5 초초 해상도 근적외선 적층장치 스펙트로스코피를 확보하였다.
• 공간적으로 분해된 속도 기울기 측정 및 이중 차원 운동학 지도 작성으로 도는 디스크 운동학과 합체 유도 운동학을 평가하였다.
• 네 개의 은하에서 운동학이 잘 분해된 경우, 반경 10 h₇₀⁻¹ kpc 이상까지 회전곡선을 추출하였다.
• 기울기 보정 및 빔 보정을 거친 최대 원형 속도(v_c)와 Hα 반광반경 내 동역학적 질량을 계산하였다.
• 10 h₇₀⁻¹ kpc에서의 평균 v_c를 허브의 비르발 질량의 대체 지표로 사용하여, M_vir ~ 10^11.7±0.5 M☉로 추정하였다.
• 운동학 모델링을 통해 v_c/σ 비율(~2–4)을 유도하였으며, 이는 약 200–800 Myr 수준의 가스 유입 또는 고갈 시간 스케일을 시사하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z~2 자외선으로 선택된 은하의 운동학은 도는 디스크 모델과 일치하는가, 아니면 합체 유도 운동학과 일치하는가?
• RQ2 이 고적색편이 은하들의 동역학적 질량과 비르발 질량은 무엇이며, 광학적 별질량 추정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이 은하들의 복사 물질의 특별한 각운동량은 어두운 물질 허브의 그것과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 v_c/σ 비율과 같은 운동학적 특성에 기반해 가스 유입 또는 고갈 시간 스케일은 어떻게 추정되는가?
• RQ5 관측된 덩어리 형태와 운동학은 약 10억 년 동안 클러스터 유도 별집 형성 시나리오로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 14개 은하 중 9개에서 공간적으로 분해된 속도 기울기가 관측되었으며, 약 10 h₇₀⁻¹ kpc 범위에서 피크 간 속도 차이는 40에서 410 km s⁻¹ 사이였다.
• Hα 반광반경 내에서 기울기 및 빔 보정을 거친 최대 원형 속도의 평균은 v_c ~ 180 ± 90 km s⁻¹였다.
• r₁/₂ 내 동역학적 질량은 약 0.5에서 25 × 10¹⁰ h₇₀⁻¹ M☉로 변동하였으며, Chabrier 또는 Kroupa IMF를 가정할 경우 광학적 별질량 추정치와 일치하지만, Salpeter IMF를 가정할 경우 너무 낮았다.
• 형성된 어두운 물질 허브의 비르발 질량은 10^11.7±0.5 h₇₀⁻¹ M☉로 추정되었으며, 군집 기반 추정치와 양호한 일치를 보였다.
• 세 개의 최적 피팅 케이스에서 v_c/σ 비율이 2–4로 나타나, 약 200–800 Myr 수준의 가스 유입 또는 고갈 시간 스케일을 유추하였으며, 이는 별 연령과 일치하였다.
• J-K 색이 가장 빨갛고 K-band Magnitude가 가장 밝은 은하에서는 [N II]/Hα에 중심 피크와 Hα 등가폭 최소값이 관측되어, 내측에서부터 진화한 별집 형성 시스템과 일치하는 내측에서부터 높아지는 금속도 및 연령 기울기의 흔적을 보였다.